ES2333556T3 - Pila de celulas de combustible de alta temperatura. - Google Patents

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Abstract

Pila de células de combustible de alta temperatura (10), que está tensada por medio de un dispositivo tensor temporal, caracterizada porque el dispositivo tensor temporal (12-22) está constituido por un material de plástico, que se quema a una temperatura, que es inferior a la temperatura de funcionamiento de la pila de células de combustible de alta temperatura (109).

Description

Pila de células de combustible de alta temperatura.
La invención se refiere a una pila de células de combustible de alta temperatura, que está tensada por medio de un dispositivo tensor temporal. Además, la invención se refiere a un procedimiento para tensar temporalmente una pila de células de combustible de alta temperatura y a un procedimiento para la retirada de un dispositivo tensor temporal de una pila de células de combustible de alta temperatura. La invención se refiere también a una utilización especial de componentes de plástico.
Las pilas de células de combustible de alta temperatura, como por ejemplo las pilas SOFC, se fabrican o bien se unen bajo una tensión definida. Esta tensión debe mantenerse permanentemente. En virtud de los componentes y materiales empleados en pilas de células de combustible de alta temperatura, con coeficientes de dilatación térmica ligeramente diferentes y en virtud de la diferencia de temperatura de, por ejemplo, 850ºC de temperatura de funcionamiento y de unión así como en el estado refrigerado a temperatura ambiente, se producen, en efecto, tensiones internas, que pueden tener como consecuencia, cuando no existe una tensión suficiente, por ejemplo un desprendimiento de capas de contacto, una rotura de juntas de obturación y, por lo tanto, un empeoramiento de la potencia de la pila de células de combustible de alta temperatura. El mantenimiento permanente de la tensión puede significar que debe mantenerse la tensión durante la fabricación de la pila de células de combustible de alta temperatura, durante la retirada fuera del horno, durante el transporte de la pila de células de combustible de alta temperatura, durante el montaje de la pila de células de combustible de alta temperatura en el sistema respectivo, durante la absorción de la tensión a través de un dispositivo de tensión definitiva del sistema y durante el funcionamiento de la pila de células de combustible de alta temperatura en el sistema. Para estas fases diferentes se conocen diferentes tecnologías para la aplicación de la fuerza de tensión. Durante la fabricación de la pila de células de combustible de alta temperatura, se puede provocar la tensión, por ejemplo, a través de la aplicación de una carga. Se conoce a partir del documento DE 103 34 129 A1 unir la pila de células de combustible de alta temperatura, con regulación de la fuerza y/o del recorrido, por medio de uno o varios actuadores. Si se utiliza una tensión interna permanente de la pila de células de combustible a través de anclajes de tracción y elementos elásticos o una tensión por medio de elementos tensores rígidos con mecanismo de dilatación térmica integrado (ver, por ejemplo, los documentos WO 2004102706 A2 o CA 2453061 A1), se puede utilizar esta tensión desde la salida del horno hasta inclusive el funcionamiento de la pila de células de combustible de alta temperatura. Sin embargo, el empleo de anclajes de tracción de aceros altamente resistentes al calor es muy intensivo de costes y oculta, además, el peligro de que a través de procesos de fluencia no se pueda mantener una tensión uniforme durante un periodo de tiempo largo. Los elementos elásticos para la compensación de los procesos de fluencia, que exceden las altas temperaturas de funcionamiento de 850ºC, por ejemplo, son igualmente caros o incluso no están disponibles, por lo que los elementos elásticos se disponen con frecuencia para la compensación de los procesos de fluencia fuera del aislamiento de la pila de células de combustible de alta temperatura. Con esta finalidad, en muchos casos son necesarias aberturas en el aislamiento, que pueden conducir a pérdidas de
calor.
Se conoce a partir del documento DE 103 08 382 B3 tensar la pila de células de combustible después de la refrigeración en el horno en primer lugar con un dispositivo tensor temporal, a continuación realizar un aislamiento de la pila de células de combustible, prever fuera del aislamiento un dispositivo tensor definitivo y luego retirar el dispositivo tensor temporal. De acuerdo con las enseñanzas del documento DE 103 08 382 B3, deben preverse de esta manera unas aberturas en el aislamiento para retirar el dispositivo tensor temporal y a continuación rellenar las aberturas correspondientes con material de aislamiento. A continuación se puede poner en funcionamiento la pila de células de combustible. En esta solución es un inconveniente que la retirada manual del dispositivo tensor temporal y la obturación de las aberturas en el aislamiento provocan gasto y costes y es desfavorable para la integridad y la función del aislamiento. Además, durante la retirada del dispositivo tensor temporal se pueden producir fácilmente daños de la pila de células de combustible durante la retirada del dispositivo tensor temporal.
La invención tiene el cometido de eliminar estos inconvenientes.
Este cometido se soluciona a través de las características indicadas en las reivindicaciones independientes.
Las formas de realización y los desarrollos ventajosos de la invención se deducen a partir de las reivindicaciones dependientes.
La pila de células de combustible de alta temperatura de acuerdo con la invención se basa en el estado de la técnica de formación del tipo porque el dispositivo tensor temporal está constituido de un material de plástico, que se quema a una temperatura, que es menor que la temperatura de funcionamiento de la pila de células de combustible de alta temperatura. A través de esta solución es posible retirar el dispositivo tensor temporal a través de la puesta en servicio sencilla de la pila de células de combustible de alta temperatura por medio de combustión con preferencia sin residuos, después de que se ha previsto un dispositivo tensor definitivo, con preferencia fuera de un aislamiento colocado en el tiempo intermedio. De esta manera se suprimen las medidas peligrosas y necesarias, por ejemplo, de acuerdo con el documento DE 103 08 382 B3 para la retirada del dispositivo tensor temporal.
En este contexto, puede estar previsto de manera más ventajosa que el material de plástico comprenda plástico de polímero, especialmente polipropileno y/o polietileno. El polipropileno puede tener, por ejemplo, una temperatura de fusión de 132ºC, mientras que el polietileno puede tener una temperatura de fusión, por ejemplo, de 163ºC; ambos plásticos de polímero se queman a temperaturas más elevadas.
En formas de realización preferidas de la pila de células de combustible de alta temperatura de acuerdo con la invención, está previsto que el dispositivo tensor temporal comprenda al menos un tornillo de plástico, al menos una tuerca de plástico, al menos una cinta de plástico, al menos un casquillo de plástico, al menos una barra de plástico y/o lámina retráctil. En principio, se contemplan todos los elementos de plástico, que son adecuados para aplicar las fuerzas necesarias para la tensión, y para que se quemen a una temperatura que es inferior a la temperatura de funcionamiento de la pila de células de combustible de alta temperatura.
De acuerdo con un desarrollo preferido de la pila de células de combustible de alta temperatura de acuerdo con la invención, está previsto que la pila de células de combustible de alta temperatura comprenda dos placas extremas al menos esencialmente paralelas, que se tensan entre sí por medio del dispositivo tensor temporal, y que el dispositivo tensor temporal no se extienda o solamente en una medida insignificante más allá de las placas extremas. Por ejemplo, las placas extremas presentan unas pestañas que sobresalen en sus zonas de esquina y que están provistas con taladros, de manera que dos de estos taladros respectivos pueden estar alineados entre sí y pueden estar diseñados para el alojamiento de cabezas de tornillos avellanadas. En este caso es posible, prever lados superiores y lados inferiores prácticamente planos de la pila de células de combustible de alta temperatura, lo que posibilita, por ejemplo, un apilamiento sin problemas de varias pilas de células de combustible de este tipo.
El procedimiento de acuerdo con la invención para tensar temporalmente una pila de células de combustible de alta temperatura se caracteriza por las siguientes etapas: tensar la pila de células de combustible de alta temperatura con un dispositivo tensor temporal, que está constituido de un material de plástico, que se quema a una temperatura que es inferior a la temperatura de funcionamiento de la pila de células de combustible de alta temperatura.
De esta manera se crea la base para la realización del procedimiento de acuerdo con la invención explicado más adelante para la retirada de un dispositivo tensor temporal de una pila de células de combustible de alta temperatura.
En conexión con el procedimiento de acuerdo con la invención para tensar temporalmente una pila de células de combustible de alta temperatura se prefiere igualmente que el material de plástico comprenda plástico de polímero, especialmente polipropileno y/o polietileno.
El procedimiento de acuerdo con la invención para la retirada de un dispositivo tensor temporal de una pila de células de combustible de alta temperatura se caracteriza por la etapa siguiente: poner en funcionamiento la pila de células de combustible de alta temperatura y en este caso quemar el dispositivo tensor temporal.
También a través de esta solución se evitan las medidas peligrosas y conocidas a partir del documento DE 10 308 382 B3 para la retirada del dispositivo tensor temporal.
En conexión con el procedimiento de acuerdo con la invención para la retirada del dispositivo tensor temporal se prefiere igualmente que el material de plástico comprenda plástico de polímero, especialmente polipropileno y/o polietileno.
La invención se refiere, además, a la utilización de al menos un tornillo de plástico, al menos una tuerca de plástico, al menos una cinta de plástico, al menos un casquillo de plástico, al menos una barra de plástico y/o de lámina retráctil como dispositivo tensor temporal para una pila de células de combustible de alta temperatura.
También en este contexto se prefiere que el material de plástico comprenda plástico de polímero, especialmente polipropileno y/o polietileno.
A continuación se explican a modo de ejemplo formas de realización de la invención con la ayuda de los dibujos correspondientes. En este caso:
La figura 1 muestra una representación en perspectiva de una forma de realización de la pila de células de combustible de alta temperatura de acuerdo con la invención, sobre la que se ha aplicado el procedimiento de acuerdo con la invención para tensar temporalmente una pila de células de combustible de alta temperatura y que está preparada para la realización del procedimiento de acuerdo con la invención para la retirada de un dispositivo tensor temporal; y
Las figuras 2a a 2e muestran diferentes elementos de plástico, que se pueden utilizar de acuerdo con la invención como dispositivo tensor temporal para pilas de células de combustible de alta temperatura.
La figura 1 muestra una representación en perspectiva de una forma de realización de la pila de células de combustible de alta temperatura 10 de acuerdo con la invención. La pila de células de combustible representada presenta de manera conocida en sí una pluralidad de elementos repetitivos 24, que están dispuestos entre una placa extrema superior 26 y una placa extrema inferior 28. La placa extrema superior 26 y la placa extrema inferior 28 presentan en sus zonas de esquina respectivas unas pestañas 30, que están equipadas con un taladro avellanado. En la forma de realización representada en la figura 1, el dispositivo tensor temporal está formado por cuatro casquillos 12 equipados con una rosca interior (solamente tres de los cuales son visibles) y ocho tornillos 14 equipados con una cabeza avellanada (solamente seis de ellos son visibles). Tanto los casquillos 12 equipados con rosca interior como también los tornillos 14 están fabricados de un plástico, que se quema, con preferencia sin residuos, a una temperatura que es inferior a la temperatura de funcionamiento de la pila de células de combustible de alta temperatura, que puede ser, por ejemplo, 850ºC. El material de plástico puede comprender, por ejemplo, plásticos de polímero como polipropileno y/o polietileno.
Para llevar la pila de células de combustible de alta temperatura al estado representado en la figura 1, ésta ha sido unida en primer lugar bajo calentamiento, por ejemplo como se ha descrito en el documento DE 103 34 129 A1, cuyo contenido debe ser componente de la publicación de esta descripción. De esta manera, la pila de células de combustible no está expuesta durante su fabricación a través de la aplicación de una carga a una presión definida, como se conoce a partir del documento DE 103 08 382 B3, sino a través de un actuador de fuerza. Este actuador de fuerza dispone adicionalmente de la posibilidad de supervisar el recorrido de deposición y de influir a través de una variación de la fuerza de presión. Esta fuerza aplicada de esta manera encuentra aplicación durante el proceso de unión (fundición del material de la junta y unión de los contactos eléctricos) durante la refrigeración a temperatura ambiente y hasta la transferencia de la tensión al dispositivo tensor temporal, que se monta después de la unión y refrigeración, por ejemplo, a través de la realización del procedimiento de acuerdo con la invención para tensar temporalmente una pila de células de combustible de alta temperatura.
El dispositivo tensor temporal se ocupa de que la pila de células de combustible se pueda transportar y manipular con seguridad desde el taller de producción hasta la permanencia definitiva en el sistema de células de combustible. Después del montaje en el sistema de células de combustible se prevé un dispositivo tensor definitivo. Éste puede estar realizado de manera conocida en sí, por ejemplo tal como se indica en los documentos DE 195 066 690 A1, DE 103 08 382 D3 o JP 11007975 A. De manera especialmente preferida, se utiliza una sujeción a través de un aislamiento, que se dispone alrededor del dispositivo tensor temporal.
A continuación se puede realizar el procedimiento de acuerdo con la invención para la retirada del dispositivo tensor temporal de una pila de células de combustible de alta temperatura. Con esta finalidad, solamente hay que poner en funcionamiento la pila de células de combustible de alta temperatura. Durante el calentamiento a temperatura de funcionamiento, por ejemplo, de 850ºC, se quema el dispositivo tensor temporal y la tensión necesaria es absorbida a través del dispositivo tensor definitivo.
En las figuras 2a a 2e se representan elementos de plástico posibles, que pueden formar el dispositivo tensor temporal. La figura 2a muestra un casquillo equipado con una rosca interior. La figura 2b muestra un tornillo equipado con una rosca exterior, que dispone de una cabeza avellanada y una tuerca hexagonal 16. La figura 2c muestra un elemento tensor en forma de cinta a modo de un conector de cables 18 de venta en el comercio. La figura 2d muestra de forma esquemática un trozo de lámina retráctil 20, puesto que la lámina retráctil se puede utilizar de la misma manera como dispositivo tensor temporal. Por último, en la figura 2e se representa una barra de plástico 22, que está equipada con roscas exteriores al menos en sus secciones extremas.
En general, la utilización de material de plástico para el dispositivo tensor temporal tiene especialmente las siguientes ventajas: la fuerza de tensión se puede regular finamente, puesto que las piezas de plástico tienen un módulo-E muy reducido y ofrecen la posibilidad de carga a través del dimensionado correspondiente más allá del límite de estiramiento y, por lo tanto, de ajustar la fuerza de tensión. De esta manera, es innecesaria la utilización de muelles y se evita con seguridad un daño a través de fuerzas de tensión demasiado altas. Además, no es necesario retirar de manera costosa el dispositivo tensor temporal, puesto que éste está aislado de todos modos eléctricamente y de esta manera no puede provocar cortocircuitos. Además, el dispositivo tensor temporal se desintegra durante la puesta en funcionamiento de la pila de células de combustible de alta temperatura y abandona el entorno del sistema en la fase de gas. Estos gases (por ejemplo CO_{2} y H_{2}O) no son perjudiciales para el medio ambiente y la célula de combustible. En este caso, la transmisión de la fuerza de sujeción desde la tensión temporal a la tensión definitiva tiene lugar de forma automática y no es necesario ningún gasto de manipulación adicional. No existe un riesgo de daño en la transición desde la tensión temporal a la tensión definitiva a través de errores de manipulación. En el caso de empleo de un sistema tensor definitivo externo de acuerdo con los documentos DE 195 066 690 A1, DE 103 08 382 B3 o JP 11007975 A, se suprime la retirada costosa e intensiva de costes del dispositivo tensor temporal y la obturación de las aberturas en el aislamiento.
Con preferencia, la pila de células de combustible de alta temperatura, de acuerdo con la invención no tiene elementos tensores que sobresalgan hacia arriba y hacia abajo y de esta manera se puede montar fácilmente en el sistema. También es posible entonces sin problemas un apilamiento de varias sub-pilas (módulo de 30 células) para formar una pila total de células de combustión (60 ó 90 pilas).
Aunque esto no se representa, el dispositivo tensor temporal se puede extender en el marco de la presente invención al menos por partes y/o por secciones a través de las unidades de repetición de la pila de células de combustible de alta temperatura 10.
Las características publicadas en la descripción precedente, en los dibujos así como en las reivindicaciones de la invención pueden ser esenciales, tanto individualmente como también en combinación discrecional, para la realización de la invención.
Lista de signos de referencia
10
Pila de células de combustible de alta temperatura,
12
Casquillo de plástico
14
Tornillo de plástico
16
Tuerca de plástico
18
Cinta de plástico/conector de cables de plástico
20
Lámina retráctil
22
Barra de plástico
24
Elemento de repetición
26
Placa extrema
28
Placa extrema
30
Pestaña.

Claims (10)

1. Pila de células de combustible de alta temperatura (10), que está tensada por medio de un dispositivo tensor temporal, caracterizada porque el dispositivo tensor temporal (12-22) está constituido por un material de plástico, que se quema a una temperatura, que es inferior a la temperatura de funcionamiento de la pila de células de combustible de alta temperatura (109).
2. Pila de células de combustible de alta temperatura (10) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el material de plástico comprende plástico de polímero, especialmente polipropileno y/o polietileno.
3. Pila de células de combustible de alta temperatura (10) de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el dispositivo tensor temporal (12-22) comprende al menos un tornillo de plástico (14), al menos una tuerca de plástico (16), al menos una cinta de plástico (18), al menos un casquillo de plástico (12), al menos una barra de plástico (22) y/o una lámina retráctil (20).
4. Pila de células de combustible de alta temperatura (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la pila de células de combustible de alta temperatura (10) comprende dos placas extremas (26, 28) al menos esencialmente paralelas, que deben tensarse una sobre la otra a través del dispositivo tensor temporal (12-22), y porque el dispositivo tensor temporal (12-22) no se extiende o solamente en una medida insignificante más allá de las placas extremas (26, 28).
5. Procedimiento para tensar temporalmente una pila de células de combustible de alta temperatura (10), caracterizado porque comprenda la etapa siguiente:
-
tensar la pila de células de combustible de alta temperatura (10) con un dispositivo tensor temporal (12-22), que está constituido de un material de plástico, que se quema a una temperatura que es inferior a la temperatura de funcionamiento de la pila de células de combustible de alta temperatura (10).
6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el material de plástico comprende plástico de polímero, especialmente polipropileno y/o polietileno.
7. Procedimiento para retirar un dispositivo tensor temporal (12-22) de una pila de células de combustible de alta temperatura (10), caracterizado porque comprende la etapa siguiente:
-
poner en funcionamiento la pila de células de combustible de alta temperatura (10) y en este caso quemar el dispositivo tensor temporal (12-22).
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el material de plástico comprende plástico de polímero, especialmente polipropileno y/o polietileno.
9. Utilización de al menos un tornillo de plástico (14), al menos una tuerca de plástico (16), al menos una cinta de plástico (18), al menos un casquillo de plástico (12), al menos una barra de plástico (22) y/o una lámina retráctil (20) como dispositivo tensor temporal (12-22) para una pila de células de combustible de alta temperatura (10).
10. Utilización de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque el material de plástico comprende plástico de polímero, especialmente polipropileno y/o polietileno.
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